Achtergrond
Thermische vraagtekens bij een volcontinue zonnecelmachine
7 juni 2010
Warmen de solarwafers wel snel en uniform genoeg op in deze diffusieoven, vroeg Tempress zich af toen het bedrijf een ontwerp daarvoor op papier had. De Vaassenaren schakelden ingenieursbureau Mecal in om de thermische berekeningen uit te voeren.
Het is alweer even geleden, eind januari 2008 om precies te zijn, dat bekend werd dat Tempress een subsidie kreeg voor de ontwikkeling van een inline-diffusieoven. De machinebouwer uit Vaassen ontving een miljoen euro om zijn assortiment uit te breiden met dit type systeem en riep daarbij de hulp in van ECN, chemiebedrijf Mallinckrodt Baker en zonnecelmaker Solland Solar. Gezamenlijk legden deze partners nog eens een miljoen op tafel.
In een diffusieoven krijgen siliciumwafers een temperatuurbehandeling in aanwezigheid van procesgassen. Die behandeling dient om de bekende halfgeleider te doteren en zodoende het hart van iedere zonnecel te creëren: de p-n-overgang, waar invallend licht een elektron-gatpaar en dus eigenlijk de zonnestroom genereert. Een typisch proces gebruikt fosfor, dat vanaf het oppervlak het silicium binnendringt. Hoe ver het fosfor er intrekt, bepaalt waar de p-n-overgang komt te liggen.
De ovens die Tempress tot nu toe in zijn assortiment had, werkten volgens een batchconcept. Een stel wafers tegelijk krijgt zijn behandeling, om vervolgens plaats te maken voor een nieuwe lading. Werken volgens een volcontinu inlineconcept heeft echter op een belangrijk punt een streepje voor: het resulteert in minder waferbreuken. Plakken die tijdens het productieproces sneuvelen, vormen een belangrijke kostenpost voor zonnecelmakers, vooral omdat ze tot downtime van machines leiden.
In de solarwereld is de trend dat wafers steeds dunner worden. Alles draait immers om kostenreductie. Dat kan met nieuwe technologie, met slimme aanpassingen in de productieprocessen, maar ook heel basaal met besparingen op materiaalkosten. Om van dat laatste de vruchten te plukken, moet de waferverwerking wel verbeteren – dunnere wafers zijn immers breekbaarder. Vandaar dat het ‘breukvriendelijke’ inlineconcept zich steeds meer in de kijker speelt.
De uitdaging waar Tempress zich voor gesteld zag was dus het omvormen van zijn bestaande batch- naar een inlineproces. Met hulp van zijn projectpartners zette het een machineconcept op papier, maar geen van de deelnemers had de knowhow in huis om de thermische eigenschappen van hun ontwerp te verifiëren. Maar voordat de tekeningen werden omgetoverd in een prototype, was het verstandig te controleren of dit ooit aan alle wensen zou kunnen voldoen.
Tempress is inmiddels druk bezig met een prototype inline-diffusieoven die Mecal doorrekende.
‘Dat is waar Mecal om de hoek kwam kijken’, vertelt groepsleider Thermal & Flow Walfred Maas van het ingenieursbureau, dat normaal gesproken vooral de halfgeleider- en windmolenindustrie met rekenexpertise ondersteunt en tevens expertise in huis heeft over mechatronica, vision en optronica. Maas rekende met enkele collega’s de machine van Tempress thermisch door. Of eigenlijk rekende hij twee machines door: een prototype dat vijftig wafers per uur zou moeten verstouwen en een productiemachine die maar liefst vijftienhonderd plakken per uur aan zou moeten kunnen.
Maas’ eerste opdracht was om te achterhalen welke temperatuur de wafer heeft op elk moment in het proces, zodat inzichtelijk wordt hoe snel deze opwarmt en afkoelt. ‘Het gaat om grote temperatuursverschillen. De wafer gaat van omgevingstemperatuur naar duizend graden Celsius, dan via een gecontroleerde afkoelprocedure terug naar vijfhonderd, en vervolgens naar een graad of zestig. Is dat haalbaar, was de vraag.’
Niet alleen de temperatuur als functie van de plaats in het proces is van belang, maar ook de eventuele spreiding daarvan. Tempress wilde weten of aan de uniformiteitseis voldaan zou kunnen worden. ‘Voor de kwaliteit van de laag die met het proces wordt aangebracht, is het essentieel dat de temperatuur niet meer dan een graad varieert over de hele wafer heen. Veel speelruimte is er dus niet’, legt Maas uit. Tempress vroeg hem ten slotte ook om te berekenen of het een probleem zou zijn als de ruimtes waar de wafer zijn warmtebehandeling krijgt cilindervormig zouden zijn. Solarwafers zijn immers vierkant, en een ronde ruimte zou temperatuursverschillen kunnen induceren.
Eindige element
De inline-diffusieoven bestaat uit drie elementen: een voorverwarmings- en een tweedelige afkoelsectie (waarover later meer), met daartussen de reactorkamer. ‘Gasgordijnen’ scheiden de drie secties van elkaar. De wafer beweegt door de machine via het walking beam-principe, waarbij twee balkjes hem oppakken en een stukje verderop weer neerleggen op stationaire rustpunten. De balkjes bewegen vervolgens – zonder contact te maken - weer terug om de volgende wafer op te halen.
Voor de berekeningen aan de temperatuur als functie van de waferpositie kon Maas ervan uitgaan dat de wafer een dimensieloze massa was met een specifieke warmtecapaciteit. ‘Voeg daaraan energie toe en hij warmt op. Met betrekkelijk eenvoudige behoudsvergelijkingen kun je uitrekenen of er binnen een bepaald tijdsbestek genoeg energie te vergeven is om de doeltemperatuur te halen. Zo kun je dus voor elke gewenste doorvoersnelheid, inlaattemperatuur en configuratie van verwarmingselementen controleren of de machineopzet volstaat.’
Voor deze manier van rekenen moesten Maas en collega’s wel een aantal aannames doen, die ze apart doorrekenden op realiteitsgehalte. ‘De wafer beweegt zich door een zogenaamde muffle, een geïsoleerde oven met daaromheen verwarmingselementen. We hebben geverifieerd dat de muffle geen significante hoeveelheden straling absorbeert – het opwarmen en afkoelen gaat voornamelijk stralend.’
Bij het verlaten van de voorverwarmingssectie vertoont de wafer zowel in de lengte als in de breedte temperatuursverschillen, maar die vormen geen probleem.
‘Ook moesten we er zeker van zijn dat de procesgassen voldoende opgewarmd zijn als ze de reactorkamer worden ingeblazen. Ze warmen op door ze in buizen door de voorverwarmingssectie te leiden. Het blijkt dat de gassen in het slechtste geval de wafertemperatuur met 0,4 graden zouden kunnen verstoren. Dit is echter met een simpele aanpassing in het ontwerp te voorkomen: blaas de gassen in de richting van de muffle de reactor in en ze zijn goed op temperatuur tegen de tijd dat ze in contact komen met de wafer.’
‘Een derde aanname betreft de ‘eerste’ balkjes, die de wafers de voorverwarmingssectie in tillen. Deze bewegen in en uit een hete zone, waardoor ze voortdurend afkoelen en weer opwarmen. Door het relatief slechte contact met de wafer valt hun effect op de temperatuurverdeling echter wel mee. Het worstcasescenario is een verstoring van een tiende graad.’
Al met al vonden Maas en co geen showstoppers in de vorm van niet houdbare aannames. Toch moesten ze in hun lumped mass-model complexere berekeningen bijmengen. ‘Een wafer die zich door een tunnel met verwarmingselementen beweegt, ‘ziet’ op alle posities verschillende warmtebronnen op verschillende afstanden, onder verschillende hoeken. In het begin is de invloed van de eerste heaters het grootst, op het einde juist die van de laatste. De zichtfactor heet dat. Voor de nauwkeurigheid van de berekeningen moet dit fenomeen worden meegenomen. Ook bij de berekening van de temperatuurverdeling over de wafer moeten deze complexere eindige-elementcalculaties worden gedaan.’
Uitspugen
De resultaten voor de opwarmsectie en de reactorkamer waren bemoedigend. ‘Bij vijftig wafers per uur is opwarmen geen enkel probleem. De plakken nemen eigenlijk onmiddellijk de temperatuur van de omgeving aan. Bij vijftienhonderd wafers per uur speelt de eindige tijd die het kost om op te warmen wel een rol. Met verwarmingselementen van voldoende vermogen en een iets grotere voorverwarmingssectie moet dat echter lukken. Met onze aanbeveling om de gassen niet direct over de wafer te leiden, is de reactorkamer ook in orde bevonden.’
Het afkoelen bleek problematischer. ‘Dat heeft te maken met de mindere stralingsoverdracht bij lagere temperaturen - die is evenredig met de vierde macht van de temperatuur, en met de temperatuursafhankelijke warmteabsorptie en -emissie-eigenschappen van silicium. Opwarmen en afkoelen gaat tot driehonderd graden vrij langzaam, daarboven juist een stuk sneller. In het eerste gedeelte van de afkoelsectie is dat een probleem, omdat de wafer daar gecontroleerd moet afkoelen. Zonder speciale maatregelen gaat dat te snel. Zo kwamen we tot de aanbeveling het eerste gedeelte van de cooldown met een kwartsmuur af te schermen van het tweede. Met deze eenvoudige aanpassing zouden zowel vijftig als vijftienhonderd wafers per uur adequaat afgekoeld kunnen worden.’
Het bleek ook lastig om de wafers vervolgens verder af te koelen tot zestig graden. ‘Voor het prototype zou dat nog wel lukken, maar op productiesnelheid loop je echt tegen problemen aan. Stralend heb je niet genoeg tijd, dus moet je die sectie langer maken, maar machinebouwers doen dat liever niet. Je kunt ook met lucht gaan koelen, die op zijn beurt weer met water gekoeld moet worden. Een laatste optie is een ruimte aanleggen om de wafers in te laten rusten, maar dan introduceer je weer een batchelement in het proces.’
Maas stuitte ook op een flinke temperatuursgradiënt over de wafer wanneer deze bijna de voorverwarmingssectie verruilt voor de reactorkamer. ‘Het stuk van de wafer het dichtst bij de uitgang is zo’n vijf graden warmer dan het andere uiteinde, afhankelijk van de temperatuur van de eerste heatersegmenten. Maar omdat beide stukken uiteindelijk dezelfde weg doorlopen, warmen ze uiteindelijk ook hetzelfde op. In de reactorkamer zijn er in de bewegingsrichting daarom geen noemenswaardige temperatuursgradiënten. In de richting daar loodrecht op, in de breedte als het ware, is er ook een temperatuursgradiënt, omdat de wafer vierkant is en de muffle rond. De zijkanten hebben een andere zichtfactor dan het midden. Het verschil komt echter niet boven de 0,2 graden uit, blijkt uit onze eindige-elementberekeningen.’
Gezien de uitkomsten die Mecals modellen opleverden, stonden voor Tempress de lichten op groen om een prototype te ontwikkelen. Daar wordt inmiddels aan gewerkt, al moeten de ontwikkelinspanningen altijd voorrang verlenen aan productieactiviteiten bij mkb’er Tempress, weet Maas. ‘Het gaat kennelijk goed daar’, lacht Maas, die al een tijdje niets meer heeft gehoord van het project. Hij kijkt er echter naar uit de metingen van het prototype te koppelen aan zijn berekeningen.